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- 1 -EPFL – STI – ISE – LENI
Hiver 2007-2008
Irwin GAFNER
Energétique avancée et moteurs
Généralités
� Introduction
� Description des principaux composants
� Principe de fonctionnement
� Mécanique du moteur alternatif
� Cycles moteur
� Flux dans les moteurs à piston
� Classification
� Familles de moteurs
� Cinématique du piston
Plan
- 2 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités
RAPPEL : Moteurs = Générateurs d’énergie mécanique
� Entrée du système : 1 source énergétique
Exemple :
⇒ Thermiques
⇒ Electriques
⇒ Hydrauliques
⇒ Pneumatiques
� Sortie ⇒ 1 travail mécanique (Eméc) ⇒ Force ou Couple
Introduction
N2
10 kg
Énergie thermique
Énergie électrique
Énergie hydraulique
Énergie pneumatique
Moteur rotatif
Moteur linéaire
Couple
Force x déplacement Conversion en
travail mécanique
Système « Moteur »
- 3 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités
� Cadre du cours :Moteurs thermiques alternatifs à combustion interne ou Moteurs à piston
Introduction
SOURCE ENERGETIQUE
Hydraulique Electrique Thermique Pneumatique
Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteurliéaire rotatif linéaire rotatif (linéaire) rotatif linéaire rotatif
Alternatifs Flux continu (Turbomachines)
Combustioninterne
Combustionexterne- Machines à vapeur- Moteur Stirling
- Moteursà piston
- Turboréacteurs- Turbines à gaz
Machine Machinesynchrone asynchrone
- 4 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Introduction
� Gamme :
� Application :⇒ Transport
- Véhicules 2 roues, automobiles, routier, transport maritime, aéronautique
⇒ Production d’énergie- Génératrices, groupes de cogénération (chaleur-force)
⇒ Machines- Machines de chantier, machines agricoles
⇒ Autres- Modélisme, …
Nb. cyl Alésage Cyl unit. Peff [kW] N [rpm] Lmot Masse
Min 1 6 mm 0.16 cm3 0.02 ≈ 60 ≈ 4 cm 14 g
Max ≈ 27 > 1 m > 2 m3 75’000 > 30’000 > 20 m > 2000 T
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Introduction
� Application : exemple
4 cm4 cm
20 m20 m
Moteur SULZER-WARTSILA
(12 cylindres, 2-Temps, 21845L, 89640 cv en continu)
Moteur DUCATI 996R
(2 cylindres, 996 cm3, 123 cv)
Moteur BMW 318i (4 cylindres, 1.8L, 125 cv) Moteur LMB D9408 (V8, 16L, 440 kW @ 2100 1/min)
Moteur Pratt & Whitney
(18 cylindres, 45.9 L, 2500 cv)
- 6 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Carter cylindre (bloc moteur)� Relie l’ensemble des composants !
� Fixation des organes auxiliaires
� Fixation de la boîte à vitesse
� Fixation des supports moteurs
� Cylindre (fût)� Rôle : Guidage du piston� Alésé dans le bloc moteur
ou pièce rapportée� Evacuation de la chaleur
CylindreCylindre
CarterCartercylindrecylindre
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Piston� Transmet les efforts des gaz
� Efforts mécaniques & thermiquesPmax : ⇒ ≈ 70 bars (moteurs à essence atmosphériques)
⇒ ≈ 200 bars (moteurs Diesel suralimentés)
� Contients les segments
Piston de moteur Wankel
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Bielle� Liaison entre le piston et le vilebrequin
� Fatigue mécanique cyclique alternée
– σcompression (dû à la pression des gaz Pgaz)
– σ traction (dû aux forces d’inerties FInertie)
� Pied de bielle : lié à l’axe du piston
� Tête de bielle : lié au vilebrequin
Ensemble Piston – Segments – Bielle
Tête de bielle
Pied de bielle
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Vilebrequin� Assure la transformation du mouvement linéaire du piston
en un mouvement rotatif sur l’arbre de sortie
� Paliers ⇒ tourillons (A)
� Portée de la bielle ⇒ manetons (C)
� Equilibrage du moteur ⇒ contrepoids (B)
� Couple moteur de sortie ⇒ Arbre (D)
� Volant moteur (ou volant d’inertie)� Réduire les acyclismes et assurer le démarrage
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Bas moteur� Carter cylindre
� Piston
� Bielle
� Vilebrequin
� ( Arbre d’équilibrage )
� Volant moteur
� Pompe à huile
� Haut moteur� Culasse
� Système de distribution
BMW 318iBMW 318i
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Culasse� Conduits d’admission et d’échappement
� Système de distribution
� Système d’injection
� Système d’allumage
� Refroidissement des parties chaudes
� Géométrie de la chambre de combustion
� Joint de culasse (étanchéité aux gaz, à l’eau et à l’huile)
- 12 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Système de distribution� Arbre à cames
� Soupapes & ressorts, lumières
� Commande de distribution
� Entraînement des auxiliaires & accessoires
� ( Systèmes de distribution variable )
- 13 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités
Came
Soupape
Ressort de soupape
Culasse
Description des composants
� Arbre à cames� Admission de l’air frais (soupape adm.)
� Evacuation des gaz brûlés (soupape éch.)
⇒ Imposé par le profil de came
� Disposition de l’AAC :– Latéral : (1)– En tête (commande par linguet) : (2)– En tête (commande par culbuteur) : (3)– En tête (attaque directe) : (4)
- 14 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Soupapes� Rôle : assurer le transfert des fluides
� Etanchéité aux gaz (portée & siège)
� Rappel mécanique– Ressort
– Came (desmodromique)
� Rappel pneumatique
� Lumières� Remplace le système de distribution
� Orifices d’ouverture dans le cylindre
� Uniquement sur les moteurs 2 Temps
Soupape Lumière
Moteur 2T à compression dans le carter
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Commande de distribution� Entraînement du système de distribution
⇒ Par chaîne ou courroie (incl. tendeurs)
⇒ Par pignon
� Entraînement des auxiliaires et accessoires
⇒Pompes : eau, huile, carburant
⇒Alternateurs
⇒Compresseurs : air, climatisation
⇒Prises de force (entraînement mécanique)
� Système de distribution variable� Déphasage des profils de cames� Levée de soupape variable
� Déphasage + levée
αvil [°]
L [mm]
αvil [°]
L [mm]
0°PMH540°PMB 180°PMB
R1
E
M : arbre vilebrequin AAC : arbre à cames R1 : Alternateur R2 : Compresseur E : Galet enrouleur T : Galet tendeur
AAC
M
R2
T
AAC
AACM ωω ⋅= 2
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Système de distribution variable (suite)
Variable Valve Timing Valvetronic
Moteur Audi 2.0 FSIMoteur Audi 2.0 FSI
Moteur BMW 318ti Moteur BMW 318ti ValvetronicValvetronic
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Description des composants
� Système de distribution variable : Valvetronic
- 18 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités
� Introduction
� Description des principaux composants
� Principe de fonctionnement
� Mécanique du moteur alternatif
� Cycles moteur
� Flux dans les moteurs à piston
� Classification
� Familles de moteurs
� Cinématique du piston
Plan
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Définition & NotationD : Alésage
L : Course
R : Rayon de manivelle ⇒
PMH : Point mort haut
PMB : Point mort bas
V0 : Volume mort ⇒
VU : Cylindrée unitaire ⇒ = Volume balayé par le piston
VC : Volume total maximal ⇒
n : Nombre de cylindres
Vcyl : Cylindrée totale du moteur ⇒
ε : Rapport volumétrique de compression ⇒
L
L
D
V0
Vu
PMB
PMH
R
2
4u
DV L
π ⋅= ⋅
cyl uV n V= ⋅u o
o
V V
Vε +=
2
LR =
PMHVV =0
UPMBC VVVV +== 0
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Mécanique du moteur alternatif
ϕ : Angle de manivelle ou angle vilebrequin (αvil )
l : Longueur de bielle
λ : Coefficient de bielle ⇒ (Rapport manivelle / bielle)
x = f (ϕ ) : Equation du mouvement du piston ⇒
ω : Vitesse angulaire ⇒ N en [1/min]
c : Vitesse du piston ⇒
cmoy : Vitesse moyenne du piston ⇒
a : Accélération du piston ⇒
ϕ
PMBx=L
PMHx=0 x
l
R
2
60
Nt avec
πϕ ω ω ⋅ ⋅= ⋅ =
⋅−+−⋅=
⋅+−⋅= )2cos(44
)cos(1)(sin2
)cos(1 2 ϕλλϕϕλϕ RRx
2
30moy
R L L Nc
ω ωπ π
⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = =
( )2 cos( ) cos(2 )x a R t tω ω λ ω= = ⋅ ⋅ + ⋅&&
⋅+⋅⋅== )2sin(2
)sin( ttRcx ωλωω&
l
R=λ
- 21 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Mécanique du moteur alternatif
x, c et a dépendent de λ !!!
Exemple : L = 77 mm
λA = 0.3 ⇒ lA = 128 mm
λB = 0.2 ⇒ lB = 192 mm
PMH PMB
Efforts + dans la bielle : TRACTION
Efforts - dans la bielle : COMPRESSION
- 22 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Cycles dans les moteurs à pistonFonctionnement cyclique nécessite le renouvellement de la charge
⇒ séquence d’événements consécutifs appelés phase
1) Admission du mélange : Phase d’admission
– Remplissage du cylindre
– Fluide admis : air ou mélange inflammable (air + carburant)
– Début : Chambre de combustion = système ouvert par les orifices d’admission
– Fin : Chambre de combustion = système fermé étanche
2) Compression des gaz : Phase de compression
– Compression par la remontée du piston
– Elévation de la pression et de la température du fluide
– Si le fluide admis est uniquement de l’air, alors l’injection de carburant se fait en fin de compression (exemple : cycle DIESEL)
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Cycles dans les moteurs à piston
3) Combustion du mélange : Phase de combustion - détente
– Début de la combustion lorsque le mélange à les conditions propices àl’inflammation. Peut être commandé par un arc électrique (cycle OTTO)
– Energie calorifique dégagée ⇒⇒⇒⇒ augmentation de P (dépend du ∆u et MF )
– L’augmentation de pression des gaz va exercer une force sur la tête du
piston et repousser ce dernier vers le bas ⇒ Phase de détente
– Cette phase est la seule qui procure un travail moteur (Ee+) sur le vilebrequin
4) Echappement des gaz brûlés : Phase d’échappement
– Evacuation des gaz brûlés pour le renouvelement de l a charge fraîche
– Début : Chambre de comb. = système ouvert par les orifices d’échappement
– Fin : Fermeture des orifices d’échappement (mais système encore ouvert!)
– Renouvellement du prochain cycle ⇒ Phase d’admission, compression, etc..
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Cycles 4-temps� Fonctionnement selon ces 4 précédentes phases bien distinctes et
consécutives :
Admission Compression Combustion + Détente Echappement
– Déroulement du cycle complet sur 2 tours moteurs– 1er tour = Admission (descente du piston) + compression (remontée du piston)
– 2ème tour = Détente (descente du piston) + échappement (remontée du piston)
� Utilisation d’un système de distribution indispensable ( ωAAC = 0.5 ⋅ ωMot )
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Cycles 2-temps� Fonctionnement sur 1 seul tour vilebrequin
– Phase de compression ⇒ Lors de la remontée du piston !!!
– Phase de combustion et détente ⇒ Lors de la descente du piston !!!
� Renouvellement de la charge fraîche possible uniquement vers le PMB
� Condition indispensable au fonctionnement : Padm > Péch
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Cycles 2-temps� Nécessite un processus de balayage afin de transférer les gaz frais de
l’admission à l’échappement :
� Possibilité d’utiliser des clapets
pour éviter le refoulement des gaz :
à courant opposé unidirectionnel tangentiel transversal
Type de
balayage :
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Résumé : Cycles des moteurs à piston
4-Temps : 2-Temps :
1 2 3 4
PMB
PMH
1 : Admission 2 : Compression 3 : Détente 4 : Echappement
Cycle 4 Temps : 4 ππππ
PMB
PMH
1 : Transfert - Balayage 2 : Compression 3 : Détente 4 : Echappement
2
3
1 4
Cycle 2 Temps : 2 ππππ
- : Faible puissance spécifique(1 combustion sur 2 tours)
+ : Souplesse � , Fiabilité �, Pollution �
Compromis entre évacuation des gaz etdéperdition du mélange frais à l’éch.
- : Pollution �, Plage d’utilisation �+ : Puissance spécifique �
360360 +<<°− ϕ 180180 +<<°− ϕ
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Flux dans les moteurs à piston– Circuit d’admission ⇒ AIR
– Circuit de carburant ⇒ CARBURANT GAZEUX ou LIQUIDE– Circuit d’échappement ⇒ GAZ DE COMBUSTION– Circuit de lubrification ⇒ HUILE
– Circuit de refroidissement ⇒ EAU (interne) ou AIR (externe)
� Circuit d’admission– Prise d’air assurée par les orifices d’admission– Éventuellement couplé à un système de suralimentation (1 ou 2 étages)
Filtre à air
Répartiteur
Conduit d’admissionBoîtier papillon
Résonateur
Filtre à air
Echangeur
Compresseur
Conduit d’admission
Répartiteur
Boîtier papillon
Résonateur
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Circuit de carburant1. Admission d’un mélange air + carburant
⇒ Injection indirecte (à la chambre de comb.) dans le circuit d’admission
2. Admisison d’air uniquement dans le cylindre
⇒ Injection du carburant directement dans la chambre de combustion
Injection indirectemonopoint
Injection indirectemultipoint
Injection directedans le cylindre
Injecteur monopointou carburateur
Filtre àessence
Pompe àessence
Réservoir
Injecteurmultipoint
Filtre àessence
Pompe àessence
Réservoir
Ramped’injection
Injecteurs
Pompe àessence HP Réservoir
Ramped’injection
Pompe de gavageFiltre
Retour carburant
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Circuit d’échappement
En général, il peut comporter :
– Système d’atténuation de bruit (� dB)
– Système de dépollution
– Système de suralimentation (Turbo)
� Circuit de lubrification– Réservoir d’huile ou carter
– Pompe d’alimentation
– Clapet de décharge
– Circuits d’huile internes
– Conduits externes
– Filtre(s) à huile
– Echangeurs (eau-huile)Moteur Diesel : doc RSA
Collecteur
Turbine Système de dépollution
Silencieux
Ligned’échappement
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Principe de fonctionnement
� Circuit de refroidissement interne ⇒ EAU– Eau + Additifs anti-corrosion & antigel (ex: eau glycolée)
– Réservoir externe au moteur
– Pompe à eau
– Noyau d’eau (circuit d’eau interne)
– Thermostat (rôle de régulateur)
– Echangeur externe
⇒ Air-Eau ou Eau-Eau
� Circuit de refroidissement externe ⇒ AIR– Suppression des composants du circuit d’eau
– Evacuation de la chaleur assurée par :
1. Ailettes de refroidissement situées sur la culasse et le bloc moteur
2. Circulation d’air externe au moteur
⇒ Utilisation réservée aux applications des véhicules (avion, scooters, auto)
Moteur
Pompe à eau
Radiateur
Thermostat
- 32 -EPFL – STI – ISE – LENI
Hiver 2007-2008
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Energétique avancée et moteurs
Généralités
� Introduction
� Description des principaux composants
� Principe de fonctionnement
� Mécanique du moteur alternatif
� Cycles moteur
� Flux dans les moteurs à piston
� Classification
� Familles de moteurs
� Cinématique du piston
Plan
- 33 -EPFL – STI – ISE – LENI
Hiver 2007-2008
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Classification
� Familles de moteurs alternatifs� Cycles thermodynamiques
– Cycle 2-Temps / Cycle 4-Temps
� Mode de combustion– Allumage commandé : OTTO ou SI Engine (Spark Ignition)
– Allumage par compression : DIESEL ou CI Engine (Compression Ignition)
– Allumage à charge stratifié ou SC Engine (Stratified Charge), FSI, GDI…
– Allumage par injection de carburant : Dual-Fuel
� Nature du carburant– Moteurs à essence, Diesel, GNC, GPL, GNL, Fuel Lourd..
– Carburants spéciaux : Alcools (Méthanol, Ethanol), huiles végétales, H2, …
� Alimentation en carburant / Système d’injection– Carburateur : mono ou multi-corps
– Injection : mono ou multipoint, injection directe / indirecte
– Système d’injection haute pression : Common rail, pompe unitaire, Inj. pompe
- 34 -EPFL – STI – ISE – LENI
Hiver 2007-2008
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Classification
� Familles de moteurs alternatifs (suite)� Alimentation en air
– Moteurs à aspiration naturelle : atmosphériques
– Moteurs suralimentés : turbocompresseur, compresseur mécanique, …
� Mode de refroidissement
– Liquide / Air
� Mode de lubrification
– Carter d’huile / Carter sec
� Caractéristiques géométriques
– Nombre de cylindre : monocylindre, multicylindres
– Disposition des cylindres : L, V, B, W, X, U, O
– Système de distribution : Nombre de soupape
Type de l’arbre à came
- 35 -EPFL – STI – ISE – LENI
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Classification
� Familles de moteurs alternatifs (suite)� Disposition des cylindres ( ou types d’architecture )
En ligne : L A plat (Boxer) à cylindres opposés : B En V
En étoile : X
A plat à pistons opposés : O
En U
- 36 -EPFL – STI – ISE – LENI
Hiver 2007-2008
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Energétique avancée et moteurs
Généralités Classification
� Cinématique du piston
� Jusqu’à présent ⇒ Moteur à piston alternatif
Mais, ne pas oublier...
� Moteur à piston rotatif (ex : Wankel) : une seule pièce en mouvement !
� Moteur à barilletou moteur axial :